QD(Quantum Dot, 양자점)란?

양자 세계, 양자 얽힘, 양자 컴퓨터…… 원자 수준의 미시적인 세계에서 일어나는 현상들에 대한 대중의 관심이 예전보다 더욱 뜨거워 진 것을 느낍니다. 특히 QD라고 하는, 수 나노미터(2~10㎚) 크기의 나노 결정에 대한 연구도 많이 이루어지고 있습니다.

수백에서 수천 개의 원자들로 이루어진 QD는 1981년 러시아 물리학자 알렉세이 아키모프(Alexey Ekimov)에 의해 처음 발견되었고, 이후 예일대학교 마크 리드(Mark Reed) 교수가 처음으로 ‘Quantum Dot(QD)’이라는 용어를 쓰기 시작했습니다.

QD는 주기율표의 Ⅱ-Ⅵ족(예: CdS, CdSe) 원소 또는 Ⅲ-Ⅴ족 원소들 간의 결합으로 이루어지며, 전자(electron)와 정공(hole)의 결합으로 이루어지는 여기자(exciton)가 입자 내에 강하게 국한(confined)되는, 소위 엑시톤 보어 반지름보다 작은 입자들을 얘기합니다. 무슨 얘기인지, 다음의 이론에서 자세히 알아보겠습니다.

밴드갭(Bandgap) 이론

원자 혹은 수십 개의 원자로 구성된 분자는 여러 개의 오비탈(원자 안에 있는 전자의 궤도)로 구성된 불연속적인 에너지 준위를 가지고 있으며, 이를 양자화(quantized)되어 있다고 말합니다. 입자의 에너지가 덩어리처럼 존재하고 있다고 상상한다면 조금 쉽게 이해가 될 수 있겠습니다. 만약 좀 더 많은 원자들이 모여 거대한 고체를 이룬다고 하면, 오비탈의 개수 또한 수 없이 늘어나게 되고, 각 오비탈의 에너지 준위의 차이는 점점 작아져 연속적으로 보이는 밴드를 형성할 것입니다. 이 밴드는 전자가 존재할 수 있는 최상위 에너지 준위인 가전자대(valence band)와 전자가 비어있는 최하위 에너지 준위인 전도대(conduction band)로 나뉘어 지며, 이 두 밴드 사이의 크기를 밴드갭(bandgap)이라고 합니다.

일반적인 유기 물질은 이 밴드갭이 크기 때문에 광전기적으로 절연체의 특성을 가지는 것이며, 도체는 밴드갭이 작기 때문에 자유롭게 전자(electron)나 정공(hole)이 흐르는 특성을 가집니다. 수백에서 수천 개의 원소로 구성된 QD는 절연체와 도체의 중간적인 특성, 반도체적 특성을 나타내기 때문에 적절한 외부 자극(열, 빛, 전기 등)에 의해서 전자를 전달하거나 광을 방출하는 등의 현상을 나타냅니다.

양자 구속 효과(Quantum Confinement Effect)와 엑시톤(Exciton)

밴드갭 이론에서 보듯이, 벌크 반도체 결정은 밴드라고 하는 연속적인 에너지 준위를 가집니다. 절대온도 0K에서 가전자대는 전자로 완전히 채워져 있으며, 전도대는 완전히 비워져 있는 상태입니다. 만약 전자가 가전자대에서 밴드갭을 뛰어넘을 만큼의 충분한 에너지를 얻게 되면 (열에 의해 여기되거나 빛을 흡수하는 경우) 전도대로 여기되며, 전자가 있던 자리에는 정공(hole)이 남아있게 됩니다.

반도체 나노 결정 QD의 경우 입자의 반지름이 보어 반지름(Bohr radius)보다 작아질 경우 외부 에너지에 의해 여기된 전자가 정공과 약한 결합을 형성하게 되는데, 이러한 전자와 정공의 결합 상태를 엑시톤(exciton), 혹은 여기자라고 부릅니다. 엑시톤을 형성하는 보어 반지름을 이른바 ‘엑시톤 보어 반지름’이라고 하며, 모든 반도체 물질은 각각 특정한 엑시톤 보어 반지름 내에서 양자 구속 효과를 나타냅니다.

양자 구속 효과를 조금 쉽게 이해하기 위해서 물고기를 예로 들어볼까요? 바다에서 헤엄치는 물고기를 생각해보면, 이 물고기는 어느 방향으로든 헤엄칠 수 있는 무한한 자유도를 가지고 있습니다. 바다에서는 물고기가 몇 마리가 되든 모두 자유롭게 헤엄칠 수 있죠. 벌크 상태의 고체물질에서 전자가 어떠한 구속도 없이 자유롭게 이동할 수 있는 것은 바다의 물고기에 비유할 수 있습니다. 이번에는 수족관에서 헤엄치는 물고기를 생각해봅시다. QD 안에서의 전자가 아마 이런 상황일 텐데요, QD 안에서의 전자는 완전히 구속되어 나노 크기의 입자 내에서 어느 방향으로든 이동에 제한을 받게 될 것입니다. 수족관의 크기가 작아지면 작아질수록(즉, QD의 크기가 작아질수록), 물고기의 움직임은 극도로 제한될 것이고, 양자구속 효과는 더욱 커지게 되는 것입니다.

QD의 크기가 작아질수록 양자구속 효과는 더 커지며, 가전자대에서 전도대로의 전이를 위한 밴드갭은 더 커집니다. 예를 들어, 약 5-6㎚ 크기를 가지는 QD가 빛 에너지를 흡수하여 여기되면 오렌지 또는 빨간색의 파장에 해당하는 에너지를 방출할 것이며, 이보다 작은 크기의 양자점이라면 파란색 또는 초록색 범위의 빛을 방출할 것입니다. 양자점의 크기에 따른 밴드갭과 방출 파장의 변화를 위 그림처럼 이해할 수 있습니다.

오늘은 QD 입자의 개념과 밴드갭·양자 구속 효과에 따른 기본적인 QD의 특성에 대해 알아보았습니다. 다음 편에서는 QD의 보다 자세한 특징과 활용 영역에 대해서 살펴보는 시간을 갖겠습니다.